Anatomie Herz

Physiologie

Stand: 26. Juni 2007Autor: Onmeda-Redaktion

Um den Blutkreislauf aufrecht zu erhalten, muss das Herz regelmäßig pumpen, das heißt der Herzmuskel muss sich rhythmisch zusammenziehen (kontrahieren). Dazu müssen die Muskelzellen fortwährend gereizt und der Reiz weitergeleitet werden.

Aktionspotenzial

Bei den Muskelzellen des Herzens besteht, ebenso wie bei den Skelettmuskelzellen, eine elektrische Spannung zwischen dem Zellinneren und Zelläußeren.

Beim Skelettmuskel beträgt diese Spannung in Ruhe (Ruhepotenzial) etwa -90 mV (mV = Millivolt), beim Herzen etwa -70 mV, wobei das Zellinnere negativ gegenüber dem Zelläußeren geladen ist. Diese Spannung baut sich vor allem auf, da die Zellmembran für die verschiedenen Ionen im Körper unterschiedlich durchlässig (permeabel) ist. Mechanische, chemische oder elektrische Reize können diese Durchlässigkeit verändern. Ohne solche Reize bleibt die Spannung dauerhaft erhalten.

Das ist bei den Herzmuskelzellen anders. Um am Herzen eine Spannung von -70 mV zu erzeugen, müssen an der Zellmembran Konzentrationsunterschiede wie folgt bestehen:

• Natrium-Ionen (Na⁺) innen : außen = 1 : 14
• Kalium-Ionen (K⁺) innen : außen = 35 : 1

Auch für Chlor-Ionen (Cl^-) sowie einige andere Ionen bestehen Konzentrationsunterschiede.

Im Gegensatz zur Skelettmuskelzelle ist das Ruhepotenzial von -70 mV bei den Herzmuskelzellen nicht stabil. Es treten fortwährend geringe Ionen-Mengen, vor allem Natrium-Ionen, in das Zellinnere ein. Dies ändert die Spannung nach und nach von -70 mV im Zellinneren hin zu Werten um die -60 mV. Je positiver beziehungsweise weniger negativ das Zellinnere wird, desto durchlässiger wird die Zellmembran für Na⁺ und desto positiver wiederum das Zellinnere. Ab einer sogenannten Schwelle bei etwa -50 mV ändert sich die Durchlässigkeit (Permeabilität) der Zellmembran sehr schnell, sodass in kürzester Zeit verhältnismäßig mehr Na⁺ einströmen kann. Dies führt zu einer Spannungsumkehr von +30 mV gegenüber dem Zelläußeren. Während dieses Prozesses nimmt die Na⁺-Durchlässigkeit wieder ab und die für K⁺ und Cl^- steigt an. Es strömt K⁺ aus der Zelle heraus und Cl^- hinein. Dies geschieht, bis der ursprüngliche Zustand wieder hergestellt, also das Zellinnere wieder eine Spannung von rund -70 mV besitzt. Anschließend beginnt dieser Prozess wieder von vorne.

Der gesamte Spannungsverlauf von -70 mV über +30 mV bis zum alten Zustand von -70 mV wird als Aktionspotenzial bezeichnet. Bei einer Herzmuskelzelle dauert ein Aktionspotenzial, je nach Herzfrequenz, bis zu einigen hundert Millisekunden. Die Dauer eines Aktionspotenzials einer Skelettmuskelzelle ist deutlich kürzer: Mit ein bis zwei Millisekunden ist es nur etwa ein Hundertstel so lang.

Das Aktionspotenzial (AP) kann in vier Phasen eingeteilt werden:

• Phase 1:Den Vorgang der Spannungsänderung von -70 mV zu +30 mV zwischen Zellinnerem und Zelläußerem bezeichnet man als Depolarisation. Die Depolarisation erzeugt eine kurze Spannungsspitze (initiale Spitze) von rund +30 mV.
• Phase 2: Nach der initialen Spitze sinkt der Wert leicht (auf etwa 0 mV) und verbleibt dort für eine Zeitlang (Plateauphase).
• Phase 3: Der Plateauphase schließt sich die Repolarisation an, in welcher auch die Natrium-Kalium-Pumpe zum Einsatz kommt.
• Phase 4: Der Repolarisation folgt das Ruhepotenzial.

Natrium-Kalium-Pumpe

Während der Repolarisation des Herzmuskels wird das ausgeströmte Kalium (K⁺) wieder in die Zelle hinein transportiert und das eingeströmte Natrium (Na⁺) heraus transportiert. Dieser aktive Prozess wird von der Zellmembran gesteuert und als Natrium-Kalium-Pumpe bezeichnet.

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein aktiver Prozess, also ein Prozess, bei dem Energie verbraucht wird, da die Ionen entgegen ihres Konzentrationsgefälles transportiert werden müssen. Für drei (kleinere) Natrium-Ionen transportiert die Pumpe jeweils zwei (größere) Kalium-Ionen.

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist zunächst ein Eiweiß (Protein), das quer durch die Zellmembran verläuft. Unter normalen Umständen können weder Natrium- noch Kalium-Ionen dieses Protein passieren. Unter Energieaufwand verändert sich die Struktur des Proteins jedoch derart, dass Natrium- und Kalium-Ionen die Zellmembran mithilfe dieses Proteins durchqueren können.

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